化学学科能力建构的基本问题探讨
化学学科能力建构的基本问题探讨 能力培养是我国基础教育改革的重要目标和长期目 标，《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》 在战略目标和战略主题中亦明确提出 “坚持能力为重”[1]。近十年来，“能力立意”也一直是我国高考命题的重要指导 思想。但是学科能力却是一个缺失的研究领域。林祟德指 出：“学科能力是衡量学生心理发展的一个重要的指标，是 当前学科教育改革的一个中心问题，同时也是一个被研究者 长期忽视的问题。”[2]早在1980年，陈耀亭也指出“化学 教学里到底应该培养什么能力，确是值得研讨而又必须解决 的迫切问题，因为这个问题不解决，如何培养就无从谈起” [3]。
一、什么是化学学科能力 自1986年《全日制中学化学教学大纲》[4]“教学要求” 中把能力具体规定为“观察能力”“思维能力”“实验能力” 和“自学能力”以来，4种能力的提法便广为流传，却并未 在学术界得到广泛认同，如陈耀亭（1989）[3]、张国定（1991） [5]等就提出了不同的看法。而且，对于能力培养，教学大 纲只在“教学目的”或 “教学要求”里表述，在后面的“教 学内容”和“教学中需注意的问题”中基本不再提及，即使 提到，也缺乏切实可行的“建议”。21世纪初颁布的化学课 程标准在“知识与技能”“过程与方法”“情感态度与价值 观”三维课程目标中并未出现有关培养能力的具体要求。《2010全国新课标高考化学大纲（课程标准实验版）》提出 “以能力测试为主导，将在测试考生进一步学习所必需的知 识、技能和方法的基础上，全面检测考生的化学科学素养。” 并从“接受、吸收、整合化学信息的能力；
分析问题和解决 （解答）化学问题的能力；
化学实验与探究能力”3个方面 规定了化学学科学习能力的要求[6]。《化学教学大纲》《化 学课程标准》以及《化学考试大纲》中对能力要求的差异， 造成了化学教育中对学科能力内涵理解的偏差，影响了能力 评价及培养目标的实现。
心理学家斯皮尔曼主张一切智力活动均由一般因素和 特殊因素所构成。一般因素（简称G因素）所代表的能力渗 透到一切智力测验课题中，特殊因素（简称S因素）所代表 的能力则表现于个别特殊课题中[7]。因此，能力有一般能 力与特殊能力之分。从事任何认知活动所共同要求的能力， 叫一般能力，如观察力、记忆力、思维力、想象力等；
有些 能力则是从事特殊认知活动或专业活动时所必需的能力，这 些能力叫特殊能力。在学科教育的认知活动中形成和发展并 在学科认知活动中运用的特殊能力则因学科而异，例如音乐 中所需要的听觉表象能力，语文中的写作能力，化学中运用 化学用语的能力等。一般能力是特殊能力的基础，特殊能力 的发展必须以一般能力的发展作为前提条件。
由于化学特有的研究对象，既以微观本质为基础，又具 有多层次性，致使化学学科具有许多与其他科学学科不尽相同的特点，在其学科教育活动中形成、发展并应用的能力必 然也不同于其他学科。因此，化学学科能力属特殊能力，可 以在2个不同的活动水平上表现出来：（1）在化学科学活动 中表现出来的能力，这种能力能够创造对人类有意义的新成 果或新成就；
（2）在学校化学课程学习活动中所习得并运 用的能力，这种能力提高了学生的化学素养，并为学生将来 从事与化学学科有关的专业活动奠定了基础。我们所讨论的 范畴为后一种。因此，可将化学学科能力界定为学生在学校 化学学科的认知活动或问题解决活动中形成和发展起来的， 并且在这类活动中所表现出来的比较稳固的心理特征，同时 它本身就是成功地完成这类活动所必需的条件。
在教育教学中有这样的共识，“学生不仅要掌握双基， 而且要形成能力”。从广义知识观的视角来看，学科能力是 一个比学科知识和技能包容范围更广的假设结构。学科能力 的形成和发展必须建立在掌握一定学科知识的基础上，一个 没有学过化学的人即使他拥有很高的智力，也一定不具备化 学学科能力。但学科知识和技能本身并不能代表学科能力， 只有当知识和技能概括化并内化为个体的心理结构并能够 被提取和应用时，才认为个体形成了一定的学科能力。如学 生掌握了“过滤”这一混合物分离的基本步骤知识和基本操 作技能，但当他遇到“如何将加热氯酸钾和二氧化锰制取氧 气后的反应产物分离”这样的问题时却无法解决，那我们认 为他并未形成相应的实验能力。“任何一种学科的能力，都要在学生的思维活动中获得发展，离开思维活动，无所谓学 科能力可言”[7]。因此，思维是学科能力的核心，化学学 科能力水平的高低也主要体现在相应的思维要求的高低上。
因此，在界定化学学科能力发展水平时，除了考虑化学学科 自身的特殊性以及相应的知识基础外，主要依据的是思维 （认知）要求的高低。
二、化学学科能力由哪些要素构成 化学学科能力是一个复杂的心理结构，由多种要素构成。
而且，在化学学科认知活动或问题解决活动中不可能只有其 中的一个要素起作用，往往是多个要素的协同作用。按照基 本要素分析的理论假设，任何一种行为表现，包括行为的和 认知的，都会有一系列基本要素，只要将学生在这些基本单 元的行为表现进行评价，那么学生在完成这些具体任务时的 总体特征就可以得到适当的评价[8]。为了分析的目的，需 要将化学学科能力分解成在结构上占据主要位置的个别成 分。
如前所述，将化学学科能力定位于“特殊能力”。由此 来分析，曾经广为流传的化学学科的4种能力“观察能力、 实验能力、思维能力、自学能力”中的“观察能力”“思维 能力”皆属于一般能力，而非化学学科特殊能力。而“自学 能力”也普遍存在于各种认知活动中，并不只表现在化学学 科的学习中。所以，4种能力中只有“实验能力”体现了化 学学科的特征，因而，4种能力的说法未能揭示出化学学科本身的特殊性，存在着泛化现象。《2010年全国新课标高考 化学考试大纲》中所提出的3种能力——“接受、吸收、整 合化学信息的能力”“分析问题和解决（解答）化学问题的 能力”和“化学实验与探究能力”，3者之间既有交叉又有 包容。因为，在“分析和解决化学问题”时，必须具有“接 受、吸收、整合化学信息的能力”，也需要用到“化学实验 与探究能力”，而在“化学实验与探究”的过程中，既需要 分析和解决发现的化学问题，也要善于从实验探究过程中接 受、吸收、整合化学信息。化学教学大纲、化学课程标准以 及化学高考大纲中分别提出了不同的能力要求，且能力要素 存在着泛化、抽象、边界不清晰等问题。
在我们看来，化学学科能力的实质问题是从化学科学的 本质问题中派生出来的，化学学科结构所求于人的心理活动 的那些基本特点，也是学生掌握化学并解决化学问题所需要 的心理能力。
在化学发展的历史中，尽管涉及的问题多种多样，但是， 从总体上看，基本的问题是组成、结构和化学反应。近代化 学形成时期，重点是组成和化学反应；
近代化学发展时期， 重点是结构和化学反应，而结构离不开组成，结构是组成的 发展；
现代化学发展时期，以原子内部结构为基础，进一步 认识物质的结构和化学反应。而化学学科今后的核心任务， 大体上可归纳为3个方面：“①开展化学反应的基础研究， 以利于开发新化学过程和揭示规律；
②揭示组成、结构、性能之间的关系和有关规律，以设计分子或结构，从而创造新 物质；
③利用新技术和新原理强化分析和测试方法的威力， 使化学工作的耳目趋于灵敏和可靠。”[9]前2个方面仍然是 围绕着化学学科的基本问题——组成、结构和化学反应而进 行，第3个方面则关乎化学研究的手段。因此，在分子、原 子水平上研究物质的“组成、结构和化学反应”构成了化学 学科的本质特征。
原子、分子无法看见，化学客观规律、物质性质及其变 化的解释亦十分抽象，所以化学家需要通过模型思维的方式 加以认知和把握。不仅模型思维的结果需要实验的验证，而 且要从物质自身的变化中研究其组成、结构和性能也必然依 赖使物质发生变化的实验。运用数学手段定量地研究化学物 质的组成及其变化，不仅是化学学科向纵深发展的结果，也 是现代化学领域不可缺少的重要手段，更为化学科学成果向 技术转化提供依据。对于物质、结构、化学反应的分析推理、 表达交流必须以化学符号为中介。因此，模型思维、实验探 索、定量研究、符号表征成为化学学科的特殊要求，而且这 4种方式方法之间也存在着内在的千丝万缕的联系（如图1所 示）。
基于化学学科本质及特殊要求，将化学学科能力要素确 定为实验能力、符号表征能力、模型思维能力、定量化能力。
为了研究的方便，分别定义它们的内涵为：（1）实验能力：学生运用实验认识和探究化学物质及 其变化的本质和规律的能力。从化学实验能力的构成要素看， 包含认知（思维）成分、观察成分、操作成分。能用纸笔测 验所评价的部分为认知成分，即实验认知能力。
（2）符号表征能力：学生认识化学符号，理解化学符 号所蕴含的丰富信息（宏观的、微观的、量的关系等），并 且能够利用化学符号表达物质的组成、结构和变化规律，进 行思考和推理以及解决化学问题的能力。
（3）模型思维能力：学生能够运用模型描述化学研究 对象（如分子、原子等），解释化学现象和规律，预测可能 的结果，并能够建构模型展示自己理解和解释的能力。
（4）定量化能力：学生依据化学基础知识，运用数学 方法解决物质组成、结构、变化中“量”的问题的能力。具 备定量化学能力，能使学生从量的方面认识物质及其变化的 规律，体验定量研究方法在化学科学研究和工、农业生产中 的重要作用。
需要说明的是，从化学学科的本质及特殊要求出发，选 出了相对重要的、必需的能力要素，组成了一个相对完备的 化学学科能力结构。对4种学科能力测量的同时，评估数据 也表明，4份测验工具共计73道试题只有1个项目（A）超出 了单维性要求（如图2所示）[10]。也就是说，虽然4份测验 工具各自所测量的是不同的心理结构能力，但这4种能力组 合起来反映了一种心理特质——化学学科能力。实证数据证明了将化学学科能力划分为4种要素的合理性，当然这并不 意味着化学学科能力结构只包含这4种要素。
再者，在构建化学学科能力要素时，尽量追求能力要素 之间的相对独立性，但要使得能力要素之间完全没有交叉也 是不可能的。因为这些能力之间存在着一定的内在联系，如 实验能力中包含着对实验数据的处理和分析，即对定量化能 力的要求，而模型思维能力和定量化能力中离不开符号的表 征，能做到的只能是尽量缩小其外延相交的部分。另外，在 解决化学学科问题或完成化学学科任务时不可能只需一种 能力，而是多种能力（包括一般能力）的协同作用。反映到 评价上，一般来说，孤立地强调考查某一种能力是不可行的， 只能是以其中的某一种能力为主。
三、化学学科能力是如何由低到高发展的 化学学科能力作为学生的一种特殊心理能力，它的形成 和发展以一定的化学学科知识为基础，经历由简单到复杂、 由低级到高级的过程，并且只有通过一定的作业表现才能评 价。为了考查不同学年段学生化学学科能力发展的水平及其 特点，必须对每一种化学学科要素能力建构起由低到高的发 展历程，并描述相应发展水平下的行为表现，这样才能使得 化学学科能力的测量和评价具有可操作性。
学习进程是“学生对某一核心概念的理解，或学生关键 技能、能力随着时间的推移逐步发展的历程”，由起点、中间过程和目标构成。学生对核心概念的理解或重要能力的形 成就像爬楼梯的过程，起点是学生已有的知识和能力，终点 是学生的核心知识、关键能力达到了支撑接受高等教育所需 的水平，中间过程存在着多个水平，类似于逐级上升的台阶。
一个完整的学习进程包括5个要素：学习目标、发展变量、 成就水平、学习表现、成就评价[11]。“学习进程”通过合 理划分不同的“成就水平”，清晰地界定“学习表现”，并 通过测量与评价来概括学生的学习水平随时间推移而发展 变化的轨迹，不仅使得标准与评价之间的关系明朗、具体、 可操作，而且有助于教师及课程编制者更深入地了解学生的 学习表现特征，改进课程与教学。
综合学习进程要素，构建如图3所示的化学学科能力学 习进程的框架。此框架中，“能力水平”界定了学科能力由 低到高的发展历程；
“行为表现”则是不同能力水平的操作 性定义，描述学生在每一相应能力水平上的实际表现，即学 生在此水平上“能做什么”，不仅为评价的设计提供明确的 依据，还可以用来标定学生在学习进程中所处的位置；
由于 学科能力的表现必须建立在一定的知识基础上，没有学科知 识的奠基，不会有学科能力的存在和发展，没有学科知识作 为载体，也无从考查学生的学科能力。所以在框架中还描述 了相应的化学学科知识基础。以此框架作为后续化学学科能 力测量和评价的理论依据。
在学习进程构建时，主要综合了化学课程的学科传统、国内外课程文件中的学段要求、化学学科的思维特征以及学 生的认知特点。由于4种能力的内涵及形成机理皆不相同， 所以水平构建的依据并不完全一致。但从低到高水平的界定 主要考虑了思维认知的要求和化学学科的特点。
根据化学学习的3种水平（描述和功能的，表征的，分 子的），符号表征在宏观、微观联接间的重要作用以及化学 符号所承载的思维功能，将化学“符号表征”能力的学习进 程划分为由低到高的4个水平：建立化学符号的宏观联系、 理解化学符号的微观意义、化学宏微的符号阐释、化学问题 的符号推理。最高水平“化学问题的符号推理”突出了化学 符号思维的重要性，这是因为化学学习中所进行的各种思维 活动，概念间的推演、转换，由简单到复杂、由单独到系统 的联结、展开等，实质上都是对赋有意义信息的化学符号和 文字所进行的信息加工活动。
化学实验包含着操作、观察和思维3种相互影响和相互 交融的心理活动 [12]。由于评价方式的限制，对实验能力 的考查主要从“实验认知”角度。根据实验认知能力中所要 求的思维的复杂度、抽象性，将化学“实验认知能力”学习 进程划分为由低到高的4个水平：实验仪器及操作的识别和 描述、化学实验事实的加工和处理、化学实验原理的理解和 运用、化学实验方案的设计和评价。
模型思维是化学学科的重要思维方式，也是化学学习中不可或缺的认知和能力。国外化学教育对于模型及其思维方 式给予了高度重视，在课程标准中皆有明确的规定。通过对 “模型”本体性知识的研究，并结合国外对于“模型”学习 进程的研究以及课程文件中对“模型”学习要求的规定，将 化学“模型思维能力”学习进程由低到高划分为认识模型、 理解模型、运用模型和建构模型4个水平。
“定量化”主要是化学问题的数学处理过程，即对物质 的组成、结构、性质和变化规律的量化过程。只有在理解了 化学概念或化学反应中“质”与“量”的关系基础上，才能 借助数学运算解决化学中的定量问题。所以，化学“定量化” 能力学习进程的第1水平为“认识化学概念或化学符号中所 蕴含的数量关系”。而从核心概念到基础计算，再到综合计 算是一种递进式体系，所以第2水平、第3水平分别为“直接 运用数量关系进行简单运算”“整合或转换数量关系进行综 合运算”。化学学科思想方法是对化学事实、化学理论以及 化学方法的本质认识，是高级抽象的概括，所以“运用化学 思想方法进行运算”是“定量化”能力的最高水平。
学习进程是关于学生对某一核心概念理解或关键能力 如何发展的一种假设性理论，需要开发相应的评价工具进行 测量和验证。根据取得的实证数据、学生的实际表现，对学 习进程进行检验、修改和完善。如果评价的结果与理论框架 具有一致性，那就证明了学习进程的合理性；
若评价的结果 与理论框架不具一致性，则需对学习进程进行修改。因此，学习进程的构建是理论与实践不断对话的过程。
如表1所示是经过试测修订后的“实验认知能力”测量 工具项目与水平对应表，项目-被试对应如图4所示[13]。由 图4可见，20个项目较好地分散开来，分布较广，能覆盖不 同的水平。各个水平的项目相对集中，如对应于较低水平的 项目E01，E02，E03，E04，E06等位于下端，而对应于水平4 的E19，E20位于上端，虽然也有少数项目如E05，E18与低一 级水平区分不明显，但总的来说各项目与学习进程所规定的 水平具有较高的切合性。所选择的被试样本包含从低到高的 不同水平，分布近似于正态分布，两端学生较少，位于中间 水平的学生较多。实证数据证明了能力水平划分的合理性。
四、如何测量与评价化学学科能力 作为一种个性心理特征的化学学科能力并不能直接考 查，而是需要通过一定的行为表现去间接推论。因此，考查 学生的化学学科能力水平，必须开发相应的测验工具，通过 学生在完成具体项目上的反应去间接推断学生的学科能力。
测验工具的质量直接影响着对学生学科能力水平的正确推 断，因此，需要依据一定的测验理论，科学地开发测验工具， 以保证测验的信度和效度。
Rasch模型是项目反应理论（Item Response Theory， 简称IRT）大家庭中的一员，由于其客观等距，测验得分就是相应的能力或特质的充分估计量，形式简便、处理方便、 参数估计准确等优势，已成为教育和心理测验工具编制的标 准范本的测量模式之一[14]。基于Rasch模型的测验工具可 通过项目和被试信度、评分者一致性、误差、分离度等指标 来考查信度，通过单维性检验、项目-被试对应、数据-模型 拟合、点-测量相关、选项反应模式及评分等级概率结构等 指标来分析测验工具的效度。
在Rasch模型中，只有当测验所获数据拟合理论模型时， 才能更准确地预测个体的心理特质或能力。因此，测验工具 在开发、设计时应尽可能地科学、客观、有效，充分满足Rasch 的要求。基于Rasch模型的原理，威尔森提出了包括心理结 构、项目反应、结果空间及测量模型在内的“四基石”方法 作为测量工具开发、设计的框架[14]。依据此框架建立的学 科能力测验工具开发程序如表2所示。
当符合Rasch模型质量要求的化学学科能力测量工具开 发成功后，可选取样本对学生的化学学科能力进行测试。运 用Bond & Foxsteps1.0.0将项目难度与学生能力转换成具有 等距意义的logit分，再运用SPSS 18.0软件进行统计分析， 可评价学生的化学学科能力及其发展状况。